模拟电子技术课程设计-二阶有源带阻滤波器

2013级模拟电子技术课程设计说明书二阶有源带阻滤波器院、部电气与信息工程学院学生姓名学号指导教师职称副教授专业电气工程及其自动化班级电气本1301班完成时间2015年9月14日模拟电子技术课程设计任务书学院电气与信息工程学院适应专业自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程指导教师学生姓名课题名称二阶有源带阻滤波器内容及任务一、设计任务设计一个二阶有源带阻滤波器，带阻滤波电路是用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过。这种滤波电路经常用于电子系统抗干扰。二、设计内容1、电路设计方案比较；2、电路参数分析计算和选择；3、单元电路设计并进行分析；4、实物制作；5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；6、撰写设计报告。拟达到的要求或技术指标一、基本要求与指标1、设计出的二阶有源带阻滤波电路可以实现抑制和衰减某一频段的信号。二、扩展要求与指标2、可以减少对电网的损害。起止日期工作内容2015615619下达任务书；针对课题任务书，收集资料。2015620621针对课题任务，进行电路设计与仿真。2015622623进行电路制作与调试。2015624625进行说明书书写。2015626实物答辩与说明书收集。进度安排主要参考资料1康华光模拟电子技术基础（第五版）M北京高等教育出版社，463202刘铭，陈世利电子线路综合设计与实践M北京机械工业出版社，5913胡宴如模拟电子技术第二版M北京高等教育出版社，20744于卫模拟电子技术试验及综合实训教程M武汉华中科技大学出版社，86指导教师意见签名年月日教研室意见签名年月日模拟电子技术课程设计任务书学院电气与信息工程学院适应专业自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程指导教师张松华学生姓名伍贤美课题名称直流稳压电源内容及任务一、设计任务设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V的交流电压时，能产生12V、9V、5V三组直流电压输出。二、设计内容1、电路设计方案比较；2、电路参数分析计算和选择；3、单元电路设计并进行分析；4、实物制作；5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；6、撰写设计报。拟达到的要求或技术指标1、设计要求及技术指标1、要求输入电压为有效值220V、50HZ的市电交流电压，电源输出电压为12V、9V、5V。2、最大输出电流为IOMAX500MA，纹波电压VOPP5MV，稳压系数SR5。二、扩展要求与指标1、能显示电源输出电压值，000120V；2、要求有短路过载保护。起止日期工作内容2015615619下达任务书；针对课题任务书，收集资料。2015620621针对课题任务，进行电路设计与仿真。2015622623进行电路制作与调试。2015624625进行说明书书写。2015626实物答辩与说明书收集。进度安排主要参考资料1康华光模拟电子技术基础（第五版）M北京高等教育出版社，463202刘铭，陈世利电子线路综合设计与实践M北京机械工业出版社，5913胡宴如模拟电子技术第二版M北京高等教育出版社，20744于卫模拟电子技术试验及综合实训教程M武汉华中科技大学出版社，86指导教师意见签名年月日教研室意见签名年月日摘要二阶有源带阻滤波器是有源滤波器里的一种，它由有源器件（晶体管或集成运放）和电阻、电容构成的滤波器称为RC有源滤波器。滤波器分为一阶、二阶和高阶有源滤波器。阶数越高，其幅频特性越接近于理想特性，滤波器的性能越好。滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率的范围以外的信号，可用在信号处理、数据传输、抑制干扰等方面。根据滤波器所能通过信号的频率范围或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通与带阻等四种滤波器。课题设计制作一个中心频率为100HZ，带宽越窄越好，幅频特性、相频特性越理想越好的二阶有源带阻滤波器。通过上网查阅相关资料和询问老师的意见，设计首先确定了电路方案，然后进行电路参数的计算。在保证设计正确之后，使用MULTISIM12进行仿真，分析了仿真的数据、结果及波形图，然后进行电路实物图的制作，并按照要求对实物图进行调试与测试。当测试结果与仿真结果一致时，证明课程设计基本完成。关键词二阶有源带阻滤波器；中心频率；MULTISIM12；AD软件目录1绪论111设计背景及意义112设计要求1121二阶有源带阻滤波器设计要求1122直流稳压电源设计要求12系统设计方案221方案一压控电压源二阶带阻滤波器222方案二无限增益多路负反馈二阶带阻滤波器323方案选择43元器件的选择与参数计算531选择运放532选择电容器533电阻参数的计算634直流稳压电源的设计6341设计构想6342设计原理6343变压器的选择6345电容器的选择7346选择三端稳压器74电路仿真841电路仿真图842仿真结果分析85电路制作与调试1151电路板的制作1152直流稳压电源的调试1153RC二阶有源带阻滤波器的调试和测试11531调试过程11532测试结果12533误差分析12结束语13参考文献14致谢15附录A原理图16附录BPCB图17附录C实物图18附录D元件清单1911绪论11设计背景及意义随着科技与经济的不断发展，各种基于电力电子技术的非线性装置在电力系统中的应用日益广泛，使得谐波危害日益严重。为了保证电力系统的安全运行，必须对谐波污染进行治理，以改善电能质量。就当前的工业现实而言，抑制谐波的基本手段是装设各类滤波器补偿装置。无源滤波器的结构简单，但是易受到电网阻抗和远行状态影响，与系统发生谐振，且仅能补偿固定频率的谐波。但有源滤波器则可以解决这些问题，并且可以自动跟踪补偿变化的谐波，具有高度可控性。有源滤波器是一种常用的信号处理装置，其在信息处理，数据传输和抑制干扰等方面都有着非常广泛的应用前景和价值。相比于无源滤波器，有源滤波器的优势在于幅频特性好，幅频特性曲线相对陡峭，器件体积小等。有源滤波器是改善供电质量，净化电网污染的一种有效装置。因此，有源滤波器在未来有很大的发展前景。12设计要求121二阶有源带阻滤波器设计要求1、中心频率100HZ；2、带阻频带越窄越好；3、幅频特性、相频特性曲线尽可能接近理想化；122直流稳压电源设计要求1、要求输入电压为有效值220V、50HZ的市电交流电压，电源输出电压为12V、9V、5V。2、最大输出电流为IOMAX500MA，纹波电压VOPP5MV，稳压系数SR5。22系统设计方案21方案一压控电压源二阶带阻滤波器压控电压源二阶带阻电路，它是双T型网络且具有选频特性。它的优点是电路性能稳定，增益容易调节。电路图如图1所示图1压控电压源二阶带阻有源滤波器原理电路的传输函数202UP122FUSQARCSS1A（1）其中，1AUPF（2）213R（3）0210FRC（4）QBW03（5）12RQ（6）式中，既是特征角频率，也是带阻滤波电路的中心角频率；如果1，00A则Q05，增加,Q将随之升高,当趋近2时，Q趋向无穷大。因此,越A0A接近2，越大，可使带阻滤波电路的选频特性越好，即阻断的频率范围越窄。图2为带阻滤波器电路的幅频特性曲线图。1F/F020LG（AU/AUP）/DB02040Q1Q5图2带阻滤波器电路的幅频特性22方案二无限增益多路负反馈二阶带阻滤波器无限增益多路负反馈电路，它的运放为反相输入，输出端通过C1、R1形成两条支路。他的优点是电路具有倒相作用，使用元件较少；缺点是调解增益时会对参数有影响。其电路图如图3所示图3无限增益多路负反馈二阶带阻滤波器电路的传输函数4202V1223VUSQARCSS11A（7其中51432R836VA9R1C1232010QBW3011有源滤波器可以突出频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，即在规定的频带内，信号不能通过（或受到很大衰减或抑制），而在其余音律范围，信号则能顺利通过。23方案选择方案一压控电压源型滤波器电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈，运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低。因为同相输入端电位控制由集成运放和反馈网络组成一个增益可控的电压控制电压源，故称之为压控电压源滤波器，简称VCVS滤波器。巴特沃斯型二阶压控电压源型带阻滤波器Q值较高，改变，可以调整，且BW或Q保持不变，缺点是1R0FAV1。方案二无限增益多路负反馈型滤波器电路有两条负反馈支路，并且运算放大器是作为一个无限增益器件来使用的，所以称为无限增益多路反馈电路。运算放大器为反相接法。巴特沃斯型无限增益多路负反馈型带阻滤波器Q值高，可用电位器代替进行调整，改变可调整BW而不影响，到地的直流通6R4R0F路已由完成。4且因为无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。并且压控电压源法元器件排列对称，设计简单，调试方便，因此，本次设计选择方案一。53元器件的选择与参数计算31选择运放OP07是一种高精度运放，它具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度和长期稳定等特点。可以用于微弱信号的放大，使用双电源能够提升其使用效果。其引脚图如图4所示图4OP07管脚介绍图4为集成运放OP07管脚介绍图，集成运放OP07有8个脚，1、8脚为调零，2脚为反相端，3脚为同相，4脚接地，5脚为空脚，6脚为输出端，7脚接电源。32选择电容器6电容标称值的分档较少，可根据工作频率范围按照表1初选电容值。表1滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系FHZ0203210430640CF2758798119宜选用微法级的电容，在常用的微法级的电容当中，设计使用了C1UF的电解电容33电阻参数的计算因为二阶有源带阻滤波器给定的中心频率100HZ。F根据公式（1）FRC21可以计算出R16K。但是由于实际条件的限制，设计并没有使用16K的定值电阻，选择是20K的电位器。34直流稳压电源的设计341设计构想稳压电源电路是利用能够自动调整输出电压变化的电路来使输出的电压不随电网电压、温度或负载的变化而变化，从而达到稳定输出电压的目的。设计中，通过变压器将电网电压变为一个电压比较小的正弦交流电压，再由整流桥将双向脉动的正弦波交流电变为单向脉动的直流电。然后通过滤波电路使单向脉动的直流电变为一个纹波电压，趋于平稳,最后由稳压器输出一个直流电。342设计原理稳压电源电路主要由变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路等模块构成。首先用电源变压器将电网电压降低，获得所需要的电压，然后整流变成单项直流电，然后再滤除交流成分，最后经过稳压供给负载电路。直流稳压电源结构图和稳压过程如图5所示7图5直流稳压电源设计流程图课题要求设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V的交流电压时，能产生12V、9V、5V三组直流电压输出，最大输出电流为I0MAX500MA。343变压器的选择根据三端固定式集成稳压器的特点，一般要求最小的输入电压、输出电压为。课程设计要求把电网电压220V降为12V，所以选用22012V双V32输出变压器。344整流器的选择稳压源设计要求最大输出电流为I0MAX500MA，整流二极管的参数应满足最大整流电流I15I0MAX075A，最大反向电压应大于变压器副边输出电压。所以选用型号2W10的整流桥。其全波整流原理图如图6所示。2U图6全波整流原理图345电容器的选择（1）滤波电容1253TCRL可知2RT25式中RL为C右边的等效电阻，应取最小值，T为电流电源的周期。将T20MS,IMAX500MA代入式（1），可得。将，3MINL3MINLRT20MS，得出C1515F。可见，C容量较大，应选电解电容，实际容量选4700F，并且为电解电容。其耐压值为50V。（2）消振电容消振电容靠近滤波器，起消振作用，一般选择消振电容为8104的陶瓷电容。（3）旁路电容，当输出电压升高时，可进一步抑制纹波，防止纹波的放大，一般选择旁路电容电容值为220F。也是电解电容。346选择三端稳压器因为要求输出电压为正负12V，正负9V和正负5V。所以使用固定三端稳压器的型号LM7812，LM7809，LM7805，LM7912，LM7909，LM7905。4电路仿真41电路仿真图根据第3章的参数计算所设计的双T型网络二阶有源带阻滤波器仿真如图7所示，它由若干电阻、电容和一个集成运放构成。图7双T型网络二阶有源带阻滤波器MULTISIM仿真42仿真结果分析设置函数发生器，它输入的波形为正弦波，输入频率为100HZ,输入振幅为400MV。占空比为50，如图8所示。9图8信号发生器设置品质因数Q2时的波形图如图9所示。图9波形图在分贝值为295DB，它的带宽下限频率为41831HZ。阻带下限图如图LF10所示。10,图10阻带下限在分贝值为3052DB，它的带宽上限频率为240837HZ。阻带上限图如HF图11所示。图11阻带上限由仿真的结果可以看出，在输入频率为10101HZ的时，衰减为3908DB。其频率值约在100HZ左右，通带增益,可以算出，。当1/RFAUO1AUO输入100HZ，400MV的正弦波信号时，从示波器的曲线可以明确地看出，输出信号相比于输入信号来说，有着非常明显的衰减，设计的二阶有源带阻滤波器把输入100HZ的频率成功阻止它的输出。再通过波特图分析带宽，大约在3DB处时，频率分别为41831HZ和240837HZ，则带宽24083741831200006。根据带宽和品质因数公式B2（2AUP）（1）0F11（2）2/1AUOQ根据（1）式和（2）式，可以求得带宽B200006,品质因数Q05。5电路制作与调试51电路板的制作启动PCB制版软件后，先新建元件及做好封装。其次，分别画出二阶有源带阻滤波器和直流稳压电源的原理图，然后导入到PCB中进行排版布线。完成布线后打印在转印到铜板上。然后腐蚀，便得到所需的电路板。PCB图见附录。制板时应注意以下几点（1）元件封装时孔距的设计及元件空间位置的大小。否则，元器件无法正常安装；（2）排版时要尽量做到对称美观；完成打印后应注意是否出现断痕，若有应及时用记号笔涂抹以免腐蚀后出现断路。（3）腐蚀印制板时应注意不能过度腐蚀，如果板子过度腐蚀，可以用锡把断痕焊接。（4）焊接元器件前应用万用表检查一遍印制板上的电路，保证电路是处于通路状态。（5）焊接各种元器件时，应注意元器件的极性，在焊接之前，必须弄清楚元器件的正负极。1252直流稳压电源的调试设计的直流稳压电源有6种不同的电压输出，分别是正负12V，正负9V和正负5V。用万用表测出6个输出端电压分别为1242V，923V，499V，1241V，906V，502V。和理论的输出电压稍有偏差，可能与测量时的温度有关。经检查，电路符合设计要求，设计完成。53RC二阶有源带阻滤波器的调试和测试531调试过程将集成运放OP07的4脚接负12V电源，7脚接正12V电源。输入端连入信号发生器，输出端连入示波器。直流稳压电源正12V的端口接入集成运放的7脚，负12V的端口接入集成运放的4脚，连接好电路后，在保证电路正常的情况下通电，通电后，观察示波器的图像。信号发生器输入的频率从10HZ到1000HZ，输入波形为正弦波，输入幅值为400MV。观察示波器上的输出波形和幅值。532测试结果二阶有源带阻滤波电路各参数测试结果如表3所示。表3RC二阶有源带阻滤波器测试数据输入频率（HZ）输入幅值（MV）输出频率（HZ）输出幅值（MV）增益分贝值（DB）1040011023840960413040030463490872113504004939275068733470400701716804273490400901586021513561004001019148012187820040020312219054753430040030026306076525535040035027328082176400400405363310827154600400602343620905094700400703303680920728004008021437609405413900400901243760940541000400100336376094054通过记录的数据可以看出，在保持输入幅度为400MV不变的情况下，随着输入频率的慢慢增大，越来越接近中心频率100HZ时，输出幅值、分贝值都不断的减小。当输入频率为100HZ时，输出幅值达到最小值48MV，分贝值也达到最小值1878。当输入频率从100HZ增加时，它的输出幅值也随之增加。当输入频率达到800HZ时，它的分贝值和输出幅值基本保持不变。所以，从中不难看出输入频率为100HZ时，是衰减程度最大的。说明此设计成功的把100HZ那个频率波陷下去了，阻止了这个频率的通过。与仿真结果相比，在中心频率100HZ时，仿真的分贝值为3908DB，但是实际分贝值才为1878DB，与理论值有比较大的差距，但是在整体方面达到了设计的要求。533误差分析（1）集成运放OP07不是理想的，它工作时会对实验结果造成一定的影响。（2）仪器的精准度不够，导致测量数据会出现误差。例如；设计中电位器的调节会影响实验结果。（3）器件选择方面，元器件的参数和理论计算有些差别，导致测试结果出现误差。（4）输入的电压并不是稳定的12V，可能对实验结果造成一定的影响。14结束语通过此次的课程设计，让我们更加扎实的了解有关模拟电子技术方面的知识，也锻炼了我们的实践能力，让我们从中可以看出自己的不足之处。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，虽然我们在这次的实践训练中遇到了各种问题，但是经过老师一遍一遍的指导，我们耐心积极去更改错误的地方，终于，成功的完成了本次的课程设计。在这次的课程设计中，二阶有源带阻滤波装置虽然结束了，也留下了很多遗憾，因为由于时间的紧缺和许多课业的繁忙，并没有做到最好，但是，最起码我们没有放弃，它是我们的骄傲相信以后我们会以更加积极地态度对待我们的学习、对待我们的生活。我们的激情永远不会结束，相反，我们会更加努力，努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。只有不断的测试自己，挑战自己，才能拥有的成功和快乐快乐至上，享受过程，而不是结果认真对待每一个实验，珍惜每一分一秒，学到更多的